CHAPITRE 3 AMÉLIORATION DU PROCÉDÉ D’INFUSION
3.1 Étape de mise sous vide
3.1.3 Développement des contres-moules flexibles
Comme expliqué plus tôt, les gains visés par l’utilisation des contres-moules flexibles sont la diminution des temps de mise sous vide, l'élimination de l’infiltration d’air causée par le montage et l'élimination des consommables de fabrication. Les risques avec l’utilisation d’un système réutilisable sont une dégradation prématurée de la membrane engendrant des coûts indésirables, une mauvaise étanchéité du système ainsi que des problèmes de contamination transmis sur les pièces produites. Tel que présenté à la section 1.3 du chapitre 1, plusieurs options sont disponibles sur le marché au niveau des élastomères et sélectionner la solution optimale n’est pas chose évidente. De plus, la connexion entre la membrane et le tuyau d’alimentation de résine doit également d’être parfaitement étanche et doit pouvoir s’intégrer facilement à la membrane. Aussi, la cible pour la durée de vie de la membrane est de 50 à 70 fabrications avec la même membrane, représentant la fabrication annuelle de cockpits. Tous ces éléments sont donc évalués dans cette section afin de développer la technologie finale présentée à la Figure 3.2, assurer sa durabilité et prouver l’absence de contamination transmise sur la surface des pièces produites. Le processus d’évaluation et de développement est présenté au Tableau 3.3.
Tableau 3.3 Évaluation et développement des contres-moules réutilisables
# Type d’essai Illustration Objectif
1 Essais de torture -Évaluer la durabilité des membranes et comparer différents élastomères et traitements de surface
- Évaluer la résistance des membranes à l’époxy -Simuler les cas extrêmes avec coins vifs et formes concaves.
-Les membranes sont amenées jusqu’à la rupture
- Fabrication par laminage contact avec de la fibre de verre et de la résine époxy et mise sous vide avec la membrane
2 Essais d’infusion
sur géométrie 2D
Simulation de fabrication par infusion sur géométrie 2D:
-Vérifier l’effet sur le taux massique de renforts, la densité, l’épaisseur des laminés ainsi que la résistance au feu
-Comparer différents connecteurs et stratégies de fabrication
3 Essais d’infusion
sur géométrie 3D
-Essais sur géométrie 3D pour la sélection finale avant la mise en préproduction
4 Étude de
contamination
-Démontrer l’absence de contamination transmise à la surface des pièces produites -Essais effectués :
- Essais d’arrachement adhésif (montrés sur la figure)
- Œil de poisson sur surface peinturée - Analyse chimique
Tout d'abord, pour choisir la matière de la membrane, une évaluation de différents élastomères, dont plusieurs silicones, polyuréthanes et latex a été réalisée, présentée au Tableau 3.4.
Tableau 3.4 Types d’élastomères évalués
#
Fournisseur # Produit Matériau Coût ($/kg)
a Duret é (Shore A) Résistanc e à la déchirur e (N /mm) Élongation ( % ) Viscosité ( cP )
1 Sworl PRSI-308-556 Silicone 141,00 30 31,5 660 15 000 (A) 10 000 (B) 2 Wacker Elastosil 1500 Silicone 138,75 27 25,0 500 26 000
3 Axson SVB 20 Silicone 187,50 20 15,0 500 15 000
4 Zhermack HT33 Silicone 88,50 33 16,0 430 8 000
5 Smooth-on PMC-746 Polyuréthane 45,00 60 17,5 650 1 200
6 Duochem Duroplast 900 Polyuréthane 32,00 83 21,7 335 435
7 Plastique Gyf Gyftane M6035 Polyuréthane 42,00 62 13,8 1 500 1 500
8 SR Composite Sprayomer Latex ND ND ND ND ND
ND : Non disponible.
aLes coûts sont majorés afin de protéger la confidentialité de l’entreprise, toutes proportions gardées.
Tous les silicones présentés sont dans la famille des RTV et de type LSR, tel qu'expliqué à la section 1.3, avec un catalyseur de type platine, et sont les plus communs dans la fabrication de membranes flexibles pour utilisation avec les matériaux composites. On constate à l’analyse du Tableau 3.4 que les silicones sont beaucoup plus dispendieux que les polyuréthanes. Au niveau de la dureté, les silicones évalués varient entre 20 et 33 Shore A, tandis que les polyuréthanes sont plus mous, avec des duretés entre 60 et 83 Shore A. Au niveau des viscosités, les polyuréthanes sont également beaucoup plus liquides que les silicones, par exemple le Duroplat 900 de la compagnie Duochem qui est très liquide, avec une viscosité de 450 cPs. La viscosité des élastomères influence les techniques de fabrication de la membrane, pouvant être fabriquées par projection, par coulée ou bien par injection. À noter que peu d’information est disponible pour le latex Sprayomer et le fournisseur ne semble pas très ouvert à la partager.
Afin d’assurer la durabilité des membranes et s’assurer que la résine époxy n’y colle pas, il est recommandé par les fabricants d’élastomères d’appliquer des agents protecteurs, variant selon les compagnies et le type de matériaux utilisés. Deux types de solutions sont principalement disponibles, soit des agents démoulant applicables entre chaque fabrication, soit des revêtements semi-permanents qui doivent être refaits après quelques fabrications. Différents types d’agents démoulant et revêtements sont disponibles puisque les silicones, les polyuréthanes ou le latex ne requièrent pas nécessairement les mêmes produits. Certains matériaux disponibles et utilisés dans ce projet sont présentés au Tableau 3.5.
Tableau 3.5 Types d’agents protecteurs pour les membranes flexibles
# Fournisseur #Produit Type Application
1 McLube McLube 1711L Agent démoulant Aérosol
2 Zyvax Composite shield Agent démoulant Chiffon
3 Maverix MavCoat 527ML Agent démoulant Chiffon
4 Mosite Mosites #14312 Revêtement (semi-permanent) Pistolet
5 Sial Ultra 4 Revêtement (semi-permanent) Aérosol
6 Freeman Monocoat E150 Revêtement (semi-permanent) Chiffon
7 Freeman Chemlease 4190 Agent démoulant Chiffon
8 ColorPlas Matte top coat Revêtement Chiffon
Les différents élastomères combinés à différents agents protecteurs ont été évalués lors d’essais de cyclage dans un moule de torture, présentés à la section 3.1.3.1.
3.1.3.1 Essai de torture
Cet essai a comme objectif de valider l’hypothèse initiale qu’une membrane puisse résister à 50 fabrications avant d’atteindre la rupture. La durabilité des membranes exposées à la résine époxy dans des conditions difficiles, simulant un cas extrême avec des géométries complexes
et des coins très vifs, sera évaluée en comparant la solution des revêtements semi-permanents avec les agents démoulant. Un moule de torture a ainsi été conçu afin de cycler les membranes jusqu’à rupture. Le moule en aluminium est séparé en deux zones symétriques pour un total de quatre cavités. Deux zones creuses et deux zones avec des coins pointus afin de tester la membrane jusqu’à sa limite. Les zones sont doublées afin d’effectuer deux essais simultanément avec différents agents de surface. Le moule est présenté sur la Figure 3.3.
Figure 3.3 Schéma du moule de torture - Nombre de cavités : 4;
- Dimensions du brut : (18 x 18 x 2) po; - Dimensions des cavités: (6 x 6 x 1,5) po; - Matériau: Aluminium 6061;
- Angle de démoulage :
- Cavité 1 (sans coin): 20°; - Cavité 2 (avec coin): 1°.
La première étape consiste à fabriquer les membranes. L’épaisseur de la pièce est simulée avec de la cire calibrée, appliquée avant de mouler l’élastomère. La Figure 3.4 présente cette étape.
Figure 3.4 Moule de torture, application de la cire calibrée
Les membranes sont ensuite fabriquées dans le moule, principalement par coulée et au pinceau, ou bien par projection. Quelques images lors de la fabrication sont présentées à la Figure 3.5.
Figure 3.5 Moule de torture, fabrication des membranes
Dans pratiquement tous les cas, des retouches au pinceau sont nécessaires, principalement dans les coins et zones plus complexes. Des exemples de membranes fabriquées dans ce moule sont présentés la Figure 3.6.
Figure 3.6 Membranes pour les essais de torture
Une fois les membranes fabriquées, des pièces avec fibres de verre et époxy ont été moulées à répétition par moulage contact et mises sous vide avec les membranes, jusqu’à la rupture de la membrane. Quelques exemples de rupture et de vieillissement obtenus sur différentes membranes sont présentés sur la Figure 3.7.
Figure 3.7 Exemple de membrane torturée
Déchirement après 16 cycles Déchirement après 15 cycles
Sworl PRSI Wacker Elastosil 1500
Axson SVB-20 Zermack HT33
Blanchiment après 33 cycles, aucune rupture
Les différents types d’élastomères présentés au Tableau 3.4 ont été évalués sur ce banc d’essai. Le détail des membranes testées et les résultats sont gardés confidentiels pour conserver le secret industriel. La nomenclature utilisée fait référence aux types d’élastomère ainsi qu’aux types d’agent démoulant sans les identifier, présentée à la Figure 3.8. L’ordre des membranes et agents démoulant dans les tableaux des résultats est aléatoire et ne fait pas référence à l’ordre des matériaux présentés dans les Tableau 3.4 et Tableau 3.5, pour éviter de relier le type de matériaux aux résultats (confidentialité).
Les résultats des essais de torture sont présentés dans le Tableau 3.6 et à la Figure 3.9.
Tableau 3.6 Résultats du test de torture
# # Membrane Nombre de cycles à la rupture 1 ME-01-01 15 2 ME-01-02 21 3 ME-02-01 11 4 ME-02-03 16 5 ME-03-01 19 6 ME-03-04 23 7 ME-04-04 57 8 ME-05-00 ND 9 ME-06-00 ND 10 ME-07-00 ND 11 ME-08-00 1 ME-01-01
Fait référence à l’agent démoulant Fait référence au type d’élastomère Figure 3.8 Nomenclature des membranes
Figure 3.9 Résultats du test de torture
Chaque cycle représente un cycle de polymérisation de la résine et les essais sont réalisés à 40 ºC afin de réaliser deux essais dans une même journée, limitant les délais. La membrane ME-08 a été éliminée rapidement de l’évaluation due à des problèmes de fabrication, présentée à la Figure 3.10. Un mauvais mélange entre la partie A et B a causé des problèmes puisque la membrane est très sensible à la précision des quantités et à la qualité du mélange, en plus de problèmes de collage avec la résine époxy. Ce type d’élastomère a donc été éliminé amenant déjà trop de problèmes.
Figure 3.10 Moule de torture ME-08 montrant les problèmes de fabrication
Les membranes ME-05, ME-06 et ME-07 n’ont pas été évaluées lors de ces essais, n’étant pas disponibles lors du déroulement des tests. Ces matériaux ont été évalués différemment lors des essais d’infusion présentés à la section 3.1.3.2 et leur durabilité n’a pu être évaluée sur le moule de torture. Des analyses futures pourront être considérées.
Les résultats ont permis de constater que la résine époxy attaque très rapidement les élastomères, certains types plus que d’autres, et que la présence d’agent démoulant ou revêtement est nécessaire afin d’augmenter la durée de vie des membranes. Un phénomène observé est le blanchiment des membranes sur les surfaces en contact avec la résine. La Figure 3.7 illustre bien ce phénomène, présentant le type de rupture obtenu et le blanchiment causé par l’attaque à l’époxy. Malgré la présence de coins vifs dans le moule de torture, ce sont les parois verticales à 1º (cavité 2) qui causent le plus de problèmes et les ruptures sont survenues le plus souvent à ces endroits. Ce phénomène peut s’expliquer en partie par l’épaisseur de la membrane qui est plus mince dans les parties verticales due à l’étirement du matériel. Le blanchiment démontre que la membrane se fait attaquer chimiquement par l’époxy, mais ne rend pas nécessairement la membrane inutilisable et dans plusieurs cas, la flexibilité de la membrane a été conservée malgré ce vieillissement. Le silicone s’est avéré être très sensible au blanchissement et à l’assèchement de la membrane entraînant un vieillissement prématuré avec le contact avec la résine époxy utilisée dans la fabrication des pièces du cockpit.
Un autre phénomène observé et présenté à la Figure 3.11 consiste en la dégradation du revêtement après plusieurs cycles de fabrication. Il est possible de réparer cette dégradation en enlevant le revêtement initial et en appliquant une nouvelle couche, représentant cependant des temps supplémentaires en plus d’un risque que des morceaux de matières dégradées se retrouvent dans la pièce finie devenant un contaminant non désirable. Les solutions de type revêtement (semi-permanent) doivent ainsi être considérées avec précaution. Malgré que les revêtements semblent performants, facilitant le démoulage, cette
solution n’est pas recommandée, due à la dégradation prématurée amenant des risques de contamination. Quoique les résultats pourraient être différents avec des matériaux ou une résine différente, puisque toutes les combinaisons possibles n’ont pas été testées.
Un traitement avec un agent démoulant est suggéré, malgré que ce traitement soit requis entre chaque fabrication pour éviter que la membrane colle à la pièce. Ce traitement est cependant très rapide, dans la majorité des cas appliqué au chiffon avec quelques minutes d’attente seulement.
Figure 3.11 Dégradation du revêtement après 23 cycles, moule de torture
À l’analyse des résultats présentés au Tableau 3.6 , on constate qu’une seule configuration a résisté à plus de cinquante cycles avant rupture. Ce résultat permet tout de même de valider l’hypothèse de départ pour la durée de vie des membranes, c’est-à-dire un minimum de 50 cycles avant la nécessité de réparer ou bien de remplacer les membranes. Une fois ces essais complétés, des essais de moulage en infusion ont été réalisés et présentés à la section 3.1.3.2.
3.1.3.2 Infusion avec contre-moule réutilisable sur géométrie 2D et 3D
Une fois les matériaux pour la membrane et les agents démoulant réduits à seulement quelques choix potentiels, des essais réels d’infusion ont été réalisés sur géométrie 2D et 3D. Ces essais ont comme objectif de valider la technologie sur des essais réels en infusion et de sélectionner les concepts finaux (élastomère, traitement de surface, connecteur, stratégie de
fabrication, canaux de résine et de vide intégrés, etc.) qui seront utilisés pour la fabrication du contre-moule de préproduction.
La section des connecteurs dans le contre-moule représente un endroit très critique étant une source propice à l’infiltration d’air. Le choix du connecteur est donc important afin qu’il soit étanche, résistant et simple d’utilisation. Plusieurs choix sont disponibles sur le marché, quelques variétés sont présentées dans le Tableau 3.7
Tableau 3.7 Connecteurs pour la fabrication des contres-moules réutilisables
Fabricant Description Illustration Coût
MVP Connecteur 10 mm 29,23 $ MVP Adapteur de tube ND MVP Insert # FLX-UI-200 ND MVP Insert # FLX-UI-400 ND MVP Connecteur UniInsert 93 $ MVP Connecteur IFA-1000-FLX 181,48 $
Fabricant Description Illustration Coût
Alan Harper Insert
Saddle 30,81 $
Alan Harper Insert
Alan 20,27 $
Alan Harper Connecteur
FIF 020 ND
RTM North Prise d’injection 38,35 $
RTM North Prise d’injection 16,50 $
RTM North Profilé d’injection 19,50 $
RTM North Prise de vide 19,50 $
Airtech Connecteur d’infusion #RIC ND Airtech Connecteur d’infusion ND
Airtech Valve de vide ND
Différentes solutions et concepts sont ainsi possibles. On constate que les prix varient et que le connecteur ne doit pas devenir un consommable de fabrication, mais doit être réutilisable pour ne pas augmenter les coûts de fabrication. Plusieurs types de connecteurs ont été utilisé
lors d’esssais de fabrication afin d’apporter des recommandations sur le choix optimal. Une solution sur mesure a cependant été développée, car les connecteurs commerciaux n’ont pas rencontrés les attentes escomptées, étant très difficile de les maintenir parfaitement étanches, causant des problèmes de porositées et de vides. Le connecteur développé sur mesure, avec un corps en aluminium, une bague en plastique ainsi qu’un joint d’étanchiété s’est avéré une solution moins coûteuse en comparaison avec les solutions disponibles sur le marché, en plus de régler les problèmes de fuites et d’inflitration d’air présents avec les connecteurs commerciaux essayés en infusion.
Plusieurs membranes 2D ont été fabriquées pour fins d’évaluation en infusion, avec différents types d’élastomères, de connecteurs et de stratégies de fabrication, certaines membranes sont présentées à la Figure 3.12.
Figure 3.12 Exemple de membranes 2D
Ces images sont présentées afin de montrer quelques exemples de membranes 2D qui ont été évaluées, testant différents matériaux, différents connecteurs et différentes stratégies de fabrication. Ces essais ont permis de raffiner le concept avant les essais sur géométrie 3D et de tester les laminés produits. Les laminés fabriqués avec ces membranes ont permis de comparer les taux volumiques de fibre et l’épaisseur des pièces fabriquées avec membrane
Sworl PRIS Sworl PRIS Sworl PRIS
par rapport aux sacs consommables. Des essais de feu ont également été réalisés selon la norme FAR 25.853, étant nécessaire suite à toute modification, le domaine aéronautique étant très stricte. Les résultats sont présentés dans le Tableau 3.8.
Tableau 3.8 Évaluation des membranes 2D
# Description Taux massique
de fibres moyen
Épaisseur moyenne (mm)
Test de feu (Norme FAR 25,853) 1 Référence avec sacs
consommables
60,12 % 1,35 Passe
2 Avec contre-moule flexible
60,50 % 1,32 Passe
aLes laminés sont constitués de 4 plis de fibres de verre 9,6 oz/vg2 et de la résine époxy. Les résultats proviennent d’une moyenne provenant de 3 laminés.
Comme présenté au Tableau 3.8, les résultats n’ont pas révélé de problèmes avec l’utilisation d’un contre-moule flexible, avec des taux massiques de fibres et des épaisseurs moyennes équivalentes étant très similaires. Les tests de feu se sont également avérés positifs.
Avant de se lancer dans la production d’une minisérie de pièces avec utilisation d’une membrane, des essais de moulage sur géométrie 3D ont été réalisés. Ces essais, considérés comme une période de rodage, avaient comme objectif de raffiner la fabrication des membranes sur une géométrie 3D, étant plus compliquée qu’une simple membrane 2D. Les étapes d’infusion avec l’utilisation de cette nouvelle technologie ont également été établies en fabricant plusieurs pièces prototypes, permettant des ajustements au procédé, augmentant sa maturité avant l’intégration en production. Ces essais de fabrication ont été effectués sur une géométrie relativement simple, mais tout de même avec une section creuse représentant un défi typique des pièces du cockpit. Plusieurs membranes ont été fabriquées, quelques exemples sont présentés au Tableau 3.9.
Tableau 3.9 Contre-moules flexibles - évaluation 3D
1- Wacker Elastosil – Connecteur MVP 2- Smooth-on PMC-746 – Connecteur MVP
3- Sworl PRSI – Connecteur sur mesure 4- Sworl PRSI – Connexion sous le moule
5- Zhermack HT33 – Connecteur AlanHarper 6- Wacker Elastosil – Connecteur MVP
Avec l’utilisation de cette technologie, les étapes de mise sous vide ne sont pas les mêmes qu’avec l’utilisation de sacs consommables. Le Tableau 3.10 présente sommairement les étapes incluses dans l’opération de mise sous vide intégrant les contres-moules réutilisables.
Tableau 3.10 Étapes d’infusion avec un contre-moule réutilisable 1- Montage des tissus 2- Préparation de la membrane
3- Connecteur intégré 4- Canaux de résine intégrés
5- Connecteur pour tuyau 6- Mise sous vide
7- Test d’étanchéité 8- Infusion
Suite aux tests de fabrication sur géométrie 3D, l’entrée de résine s’est avéré un endroit très difficile à mettre étanche. Tous les connecteurs commerciaux essayés se sont avérés être
problématiques au niveau de l’étanchéité, malgré l’ajout de silicone ou d'adhésif de type «loctite» dans les joints. Un connecteur conçu sur mesure a donc été développé, incluant un corps en aluminium, une bague en nylon ainsi qu’un joint en caoutchouc et fabriqué à l’interne chez Hutchinson, représentant une solution très économique. De plus, ces connecteurs ont été conçus de manière à ce qu’ils ne soient pas en contact avec la résine, le tuyau étant amené jusqu’à la surface de la pièce, rendant le connecteur réutilisable et ne représentant pas un coût récurrent. Ces connecteurs développés sur mesure se sont avérés être très étanches et recommandés pour la mise en production.
Suite aux essais avec les différents élastomères, au niveau de la durabilité mais également au niveau d’essais de fabrication sur géométrie 2D et 3D, il n’est pas possible de sélectionner une solution finale quant au choix des technologies et des matériaux pour la fabrication des contres-moules. Au niveau des élastomères, plusieurs choix sont disponibles et différents aspects doivent être pris en compte. Le type de résine et de procédé de fabrication, les températures de fabrication, la géométrie et la dimension des pièces produites en sont des exemples. Ces éléments influenceront le temps de travail requis avec le matériel, la viscosité, les techniques de fabrication, donc le choix du matériel. Le type de matériaux pour la membrane, l’agent de surface, le type de connecteurs et les stratégies de fabrication se concrétisent suite aux différents essais, mais avant d’intégrer une technologie en production, l’absence de contaminations à la surface de la pièce doit être prouvée. Ceci est présenté à la section 3.1.4.